CN108694296B - 一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法。当应用有限元法求解大型复杂模型的表面电场时，必须针对全模型展开建模和计算。同时为了保证计算精度，往往需要对关注设备表面网格进行精细控制。但是当求解域内实体较多且结构复杂时，实现整体有限元模型的精细建模较为困难，且易造成大量网格堆积，难以保证计算效率。对此，公开了一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法。该方法在各关注设备表面生成多层相同几何结构外包实体，完成全模型区域划分后，基于各层外包实体参数化实现模型表面多层网格加密。在源头上解决整体模型中关注设备表面网格难以精细控制的问题，提高了大型复杂有限元模型的建模效率及质量。

Description

一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法

技术领域

本发明涉及一种有限元建模技术，尤其涉及一种专门针对大型复杂模型电场数值计算的有限元高效、精确建模方法。

背景技术

有限元法是电场计算中应用较为广泛的一种数值方法。当应用有限元法求解诸如特高压直流阀厅等大型复杂模型的表面电场时，必须针对全模型展开建模和计算。同时为了保证有限元法的计算精度，往往需要对关注设备表面网格进行精细控制。但是当求解域内实体较多且结构复杂时，实现整体有限元模型的精细建模较为困难，且易造成大量网格堆积，难以保证计算效率。

目前，针对大型复杂模型应用较为普遍的有限元建模方法主要是子模型法。子模型法将子模型与整体较粗糙的模型分割开，单独进行网格控制，提高了各关注区域电场的计算精度。但子模型法需要额外进行子模型的剖分及求解，计算过程较为繁杂；同时子模型法要求子模型切割边界远离载荷集中区域，其边界插值存在一定的误差传递。

实际工程问题的有限元电场求解过程中，大型复杂模型一般需采用专业建模软件进行外部建模。采用专业建模软件Solidworks与有限元仿真软件ANSYS进行联合仿真，在模型建立时既在各重点关注设备表面批量生成多层相同几何形态的外包实体，后续剖分时基于各层外包实体参数化实现模型表面多层网格加密，从而在源头上解决整体模型中关注设备表面网格难以精细控制的问题，提高大型复杂有限元模型的建模效率及质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法。采用本发明的方法可实现大型复杂有限元模型的高效、精确建模，有效实现关注设备表面网格的精细控制。

本发明提供的方法主要由关注设备表面多层外包实体生成、全模型区域划分、模型表面网格加密等几大部分组成。

本发明所提供的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，

关注设备表面多层外包实体生成步骤：从原模型基本几何形态出发，基于Solidworks软件在关注设备表面沿法向向外建立多层厚度可控的外包曲面，与ANSYS软件搭接后，使用参数化命令将外包曲面批量转化为实体。

全模型区域划分步骤：求解域存在多个设备时，所生成外包实体间及其与原实体模型间易发生交叠。对外包实体与原实体模型间位置关系进行分析，在保证原实体模型完整的前提下，借助布尔操作完成全模型中各区域的划分。并以模型各实体体积及形心坐标作为特征量，进行模型组件定义，完成实体属性归类。

模型表面网格加密步骤：结合有限元电场计算网格划分原则，基于所建立多层外包实体在模型表面逐层生成加密网格。由于导体设备表面电场主要沿其法向分布，可控制各层网格沿设备表面切向尺寸大于法向尺寸，同时网格尺寸由内向外逐层增大，保证网格具有良好的划分过渡性。

在上述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，所述关注设备表面多层外包实体生成步骤的具体方法包括：

步骤1、在Solidworks软件中对关注设备各个表面进行“等距曲面”操作，在设备表面形成一层面包围。控制等距参数，初步生成厚度由内向外逐层增大的多层外包曲面。

步骤2、将模型保存为.x_t格式，导入ANSYS软件中实现两个软件的搭接，在ANSYS软件中设置模型几何类型为所有实体，保证外包曲面成功导入。

步骤3、由于每层外包曲面都是各自独立的面包围，基于APDL参数化命令，将各层外包曲面分别选取，使用“VA”命令，将各层外包曲面所包围区域实体化，最终在结构上形成多层外包实体。

在上述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，所述整体模型区域划分步骤的具体方法包括：

步骤1、在外包曲面实体化步骤之前，采用参数化命令“*GET”得到原模型中各实体的体积及形心位置坐标信息，将其存储于矩阵M中。

步骤2、对整体模型进行布尔操作，首先使用“VSBV”命令将外包实体中与原模型交叠的区域删除，确保原模型完整性，然后对整体模型进行“VOVLAP”操作，实现全模型的搭接。

步骤2、调取矩阵M中所储存各实体的体积及形心位置坐标信息，以其为特征量，在整体模型中快速对比选取原模型各实体，进而完成原模型及外包实体的组件定义。对各区域属性归类后，最终实现整体模型的区域划分。

在上述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，所述模型表面网格加密步骤的具体方法包括：

步骤1、外包实体层次有序地分布于关注设备表面，通过选取与所定义原模型相接触的实体，由内向外逐层定义各层外包实体。

步骤2、每层外包实体单独剖分为一层加密网格，采用自由剖分方式，控制关注设备表面网格沿设备表面切向尺寸大一些，沿法向尺寸小一些，形成由内向外厚度逐层增加的多层加密网格，最后完成全场域的剖分。

因此，本发明具有如下优点：(1)本发明对全模型展开建模和计算，确保了模型的完整性，保证了大型复杂模型有限元电场数值计算的准确性。(2)本发明实现关注设备表面网格的精细控制的同时，有效减小了整体模型网格划分的单元数量，有效提高了计算精度与计算效率。(3)本发明利用Solidworks软件与ANSYS软件进行联合仿真，采用APDL命令可参数化实现有限元建模过程，操作便捷，实用性强。

附图说明

图1是本方法实现的流程示意图。

图2是±800kV特高压直流换流站高端阀厅模型。

图3是阀塔中性管母避雷器金具外包曲面。

图4是阀塔中性管母避雷器金具表面网格加密。

图5是±800kV特高压直流换流站高端阀厅表面电场分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实时方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以某±800kV特高压直流换流站高端阀厅为例，阐述其金具表面电场计算时的有限元建模过程。如图2所示为所搭建阀厅整体模型，为了降低模型剖分难度并减少不必要的计算，对套管、阀塔等部位进行合理简化。

由于阀厅内屏蔽金具种类多样，不同金具结构大小差异较大，为了对网格进行合理控制，将避雷器均压环、OCT均压环等内径较小金具与出线套管均压球等尺寸较大的屏蔽金具进行分类，分别生成不同厚度外包实体进行网格控制。在各关注设备表面生成3层外包实体，第i层外包实体厚度为Δh_i，具体参数如下表1所示。

表1阀厅金具外包实体参数

根据上述外包实体参数，基于Solidworks软件中“等距曲面”操作在阀厅模型中重点关注金具表面生成相应外包曲面。如图3所示为阀厅模型中阀塔中性管母避雷器金具所生成外包曲面。外包曲面与原实体模型基本几何结构相同，尺寸可控。将模型导入有限元分析软件ANSYS中，由于每个金具的每层外包曲面都是一个独立的面包围，使用参数化命令“VA”即可将每层外包曲面所包围区域转化为实体，程序化实现所有外包实体的生成。

在对阀厅全模型进行区域划分之前，首先采用参数化命令记录阀厅原模型各实体的体积及形心坐标信息。进行布尔操作时，使用“VSBV”命令将外包实体中与原模型交叠的区域删除，确保原模型完整性，然后对整体模型进行“VOVLAP”操作，实现整体模型的搭接。布尔操作完成后，利用所记录原模型各实体的体积及形心坐标信息作为特征量快速选取求解域中阀厅原模型各实体，完成原模型及外包实体的组件定义，完成各区域属性归类。

对模型进行网格划分时，采用自由剖分方式，通过其表面多层外包实体进行网格控制，每层外包实体单独进行剖分控制生成一层加密网格。由于阀厅内各金具自身表面电位恒等，故其表面电场沿其切向上分量基本为0，主要分布在其表面法向上。为保证网格具有良好的划分过渡性，同时有效控制全场域网格数量，外包实体生成时已控制其厚度由内向外逐层增大，网格划分时可控制关注设备表面网格沿设备表面切向尺寸大一些，沿法向尺寸小一些，最终形成由内向外厚度逐层增加的多层加密网格，然后再完成全场域的剖分。阀塔中性管母避雷器表面网格加密如图4所示。由于外包实体层次有序地分布于模型表面，通过所定义原模型可将与其相接触的第一层外包实体快速选中，进而逐层选取各层外包实体，使用参数化命令可批量实现其剖分控制，操作便捷，效率高。

按照上述步骤完成阀厅全模型剖分，网格数量得到有效控制，总数约1800万。使用瞬时电位加载法，在额定功率运行状态下，计算得到阀厅设备表面电场分布如图5所示。可以看出，模型表面电场过渡平滑，电场强度最大值出现在D侧换流变C相出线下部套管圆柱形均压球表面，最大值为13.1kV/cm，其余部位的电场强度相对较小。证明了本发明的可行性及有效性。

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (5)

1.一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，

关注设备表面多层外包实体生成步骤：从原模型基本几何形态出发，基于Solidworks软件在关注设备表面沿法向向外建立多层厚度可控的外包曲面，与ANSYS软件搭接后，使用参数化命令将外包曲面批量转化为实体；

全模型区域划分步骤：求解域存在多个设备时，所生成外包实体间及其与原实体模型间易发生交叠；对外包实体与原实体模型间位置关系进行分析，在保证原实体模型完整的前提下，借助布尔操作完成全模型中各区域的划分；并以模型各实体体积及形心坐标作为特征量，进行模型组件定义，完成实体属性归类；

模型表面网格加密步骤：结合有限元电场计算网格划分原则，基于所建立多层外包实体在模型表面逐层生成加密网格，控制各层网格沿模型表面切向尺寸大于法向尺寸，同时网格尺寸由内向外逐层增大。

2.根据权利要求1所述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，所述关注设备表面多层外包实体生成步骤的具体方法包括：

步骤1、在Solidworks软件中对关注设备各个表面进行“等距曲面”操作，在设备表面形成一层面包围；控制等距参数，初步生成厚度由内向外逐层增大的多层外包曲面；

步骤2、将模型保存为.x_t格式，导入ANSYS软件中实现两个软件的搭接，在ANSYS软件中设置模型几何类型为所有实体，保证外包曲面成功导入；

步骤3、由于每层外包曲面都是各自独立的面包围，基于APDL参数化命令，将各层外包曲面分别选取，使用“VA”命令，将各层外包曲面所包围区域实体化，最终在结构上形成多层外包实体。

3.根据权利要求1所述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，在外包曲面实体化步骤之前，采用参数化命令“*GET”得到原模型中各实体的体积及形心位置坐标信息，将其存储于矩阵M中。

4.根据权利要求1所述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，所述全模型区域划分步骤的具体方法包括：

步骤1、对整体模型进行布尔操作，首先使用“VSBV”命令将外包实体中与原模型交叠的区域删除，确保原模型完整性，然后对整体模型进行“VOVLAP”操作，实现全模型的搭接；

步骤2、调取矩阵M中所储存各实体的体积及形心位置坐标信息，以其为特征量，在整体模型中快速对比选取原模型各实体，进而完成原模型及外包实体的组件定义；对各区域属性归类后，最终实现整体模型的区域划分。

5.根据权利要求1所述的一种针对大型复杂模型电场数值计算的有限元建模方法，其特征在于，所述模型表面网格加密步骤的具体方法包括：

步骤1、外包实体层次有序地分布于关注设备表面，通过选取与所定义原模型相接触的实体，由内向外逐层定义各层外包实体；

步骤2、每层外包实体单独剖分为一层加密网格，采用自由剖分方式，控制关注设备表面网格沿设备表面切向尺寸大于法向尺寸，形成由内向外厚度逐层增加的多层加密网格，最后完成全场域的剖分。

Images